A- и B- формы ДНК.

Прежде всего, посмотрим, что нам известно из литературы о молекуле ДНК и в частности о её A- и B-формах.
Обычно в клетке молекула ДНК находится в B-форме. Молекула ДНК представляет собой спираль, так как  в "прямой" структуре плоскости гидрофобных оснований находились бы в водном окружении, что придавало бы молекуле нестабильность. Благодаря такой структуре обеспечивается тесное взаимодействие пар оснований и исключается их контакт с водой, пары оснований слегка смещены относительно друг друга, на виток приходится около 10 пар (a)-шаг спирали ). Структура двойной спирали такова, что она имеет две боорздки - большую(c) и малую(b). Большая бороздка обеспечивает более лёгкое взаимодействие с белками, которые "узнают" соответствующие основания.
Большая и малая бороздки
При дегидратации двойная спираль приобретает более сплющенную форму с большим углом наклона оснований, и в этом случае её называют A-формой. В такой форме ДНК встречается в спорах. Известна и другая конфигурация - Z-форма, когда сахарофосфатный остов образует зигзагообразную линию вдоль спирали. В Z-форме двойная спираль закручена влево, а в B-форме - вправо.
Источник: В.Эллиот,Д.Эллиот "Биохимия и молекулярная биология"
A- и B-формы ДНК
На рисунке а) показано схематичное изображение ДНК; б) A-форма ДНК; в) B-форма ДНК.
Источник: www.xumuk.ru, http://www.keldysh.ru/papers/2002/prep42/prep2002_42.html.
Теперь выполним предложенное задание, чтобы самостоятельно убедиться в данных.
Для того, чтобы получить структуру дуплекса в A- форме, была использована команда:
fiber -a gatc-a.pdb
Далее, была выбрана опция 2 - "Input your base sequence with only A,C,G & T.. 2. From keyboard (enter only the repeating sequence)" и с клавиатуры была набрана последовательность("Repeating unit") - "gatc", число повторений("Number of repeats")  - 4. Структура дуплекса в A- форме сохранена в файле gatc-a.pdb.
Для того, чтобы получить структуру дуплекса в B- форме, была использована команда:
fiber -b gatc-b.pdb
Далее, была выбрана опция 2 - "Input your base sequence with only A,C,G & T.. 2. From keyboard (enter only the repeating sequence)" и с клавиатуры была набрана последовательность("Repeating unit") - "gatc", число повторений("Number of repeats")  - 4. Структура дуплекса в B- форме сохранена в файле gatc-b.pdb.
Результаты исследования файлов gatc-a.pdb и gatc-b.pdb занесены в таблицу:
A-форма B-форма Файл dna12.pdb
Тип спирали (правая или левая) правая правая правая
Шаг спирали (Å) 28.03
(C16A.P - G5A.P)		 33.75
(C16A.P - A6A.P)		 30.57
(G12A.P - G2A.P)
Число оснований на виток 10 11 10
Ширина большой бороздки 7.98
(G9A.P - A18B.P)		 17.21
(A18B.P - C12A.P)		 17.12
(A18B.P - G4A.P)
Ширина малой бороздки 16.97
(C8A.P - C28B.P)		 11.69
(T7A.P - A30B.P)		 11.13
(C11A.P - A18B.P)
Вид с торца Вид A-формы с торца Вид B-формы с торца Вид dna12 с торца
.
Для того, чтобы измерить шаг спирали, выделим все атомы фосфора в структуре и посчитаем расстояние между двумя атомами, отстающими на фазу (удобство этого метода обусловлено тем, что в каждом дезоксирибонуклеотиде только один атом фосфора).
В таблице приведены атомы, между которыми измерялось расстояние. Также в таблице присутствуют изображения A- и B- форм с торца.
По результатам, полученным для dna12 можно сделать вывод о том, что данная структура ближе к B-форме. (Что неудивительно, ведь большинство молекул ДНК находятся в клетке как раз в такой конформации).
Команда Полученный файл
find_pair -t gatc-a.pdb stdout | analyze gatc-a.out
find_pair -t gatc-b.pdb stdout | analyze gatc-b.out
find_pair -t dna12.pdb stdout | analyze dna12.out

В результате, по данным из полученных файлов была составлена таблица.

Таблица значений конформационно важных торсионых углов (α, β, γ, δ, ε, ζ, χ).

Угол α β γ δ ε ζ χ
Связь O3'(i-1)-P-O5'-C5' P-O5'-C5'-C4' O5'-C5'-C4'-C3' C5'-C4'-C3'-O3' C4'-C3'-O3'-P(i+1) C3'-O3'-P(i+1)-O5'(i+1) for pyrimidines(Y): O4'-C1'-N1-C2
for purines(R): O4'-C1'-N9-C4
A-форма  -51.7  174.8 41.7 79.1  -147.8   -75.1 -157.2
B-форма  -29.9  136.4     31.1 143.4 -140.8 -160.5 -98.0
dna12 -58.8 55 59.3 118.4 -36.3 -65.2 -116.6
Близкие значения углов выделены серым фоном. Данные для заполнения последней строки таблицы были взяты из файла dna12.out, средние значения углов были подсчитаны в Excel, результаты можно посмотреть в файле.
Поскольку средние значения конформационно важных углов сильно разнятся (порой даже до знака), сравним значения углов для A- и B-форм ДНК с единичными углами для заданной мне структуры dna12.

Сравнение значений конформационно важных торсионных углов A- и B- форм ДНК с заданной структурой dna12.

Угол α β γ δ ε ζ χ
Связь O3'(i-1)-P-O5'-C5' P-O5'-C5'-C4' O5'-C5'-C4'-C3' C5'-C4'-C3'-O3' C4'-C3'-O3'-P(i+1) C3'-O3'-P(i+1)-O5'(i+1) for pyrimidines(Y): O4'-C1'-N1-C2
for purines(R): O4'-C1'-N9-C4
A-форма  -51.7 174.8 41.7 79.1  -147.8 -75.1 -157.2
B-форма  -29.9 136.4   31.1 143.4 -140.8 -160.5 -98.0
dna12 0
-57.0
-61.6
-65.1
-56.8   
-66.3
-59.9
-60.9
-59.6
-65.0
-65.1
-90.3
-67.9
-92.2
-92.8
-60.3
-53.6
-61.1
-61.1
-51.6
-58.0
-53.4
-50.8
0		 0
166.8
173.3    
-175.8    
173.9    
177.7    
-179.1    
177.2    
179.9    
173.7    
147.2    
-167.3    
175.8    
150.2    
-162.1    
-179.9    
175.1    
169.0    
176.0    
-174.6    
-180.0    
164.6    
158.0    
0          		 175.7
47.1 
58.3   
59.8   
64.4   
61.0   
5.3   
65.1   
49.3   
61.8   
46.5   
54.9   
51.1   
42.7   
49.0   
42.3   
57.0   
67.7   
60.2   
54.4   
62.7   
51.9   
47.2   
38.3     		 170.5  
113.5 
107.9    
147.5    
136.7    
126.3    
95.8    
102.6    
99.2    
149.5    
149.2    
100.2    
85.7    
123.5    
155.9    
85.6    
109.0    
100.3    
100.7    
140.4    
146.1    
82.8    
136.4    
154.7               		 -165.3
178.5
-179.8   
171.6   
-175.9   
175.0   
173.9   
164.3   
-171.7   
-115.8   
-173.2   
0   
0   
-176.4   
-74.0   
156.8   
-177.6   
-175.8   
179.6   
173.6   
166.1   
172.1   
-178.0   
-155.9       		 -136.4 
-85.4
-94.8
-113.1   
-99.6   
-89.4   
-80.2   
-76.7   
-76.9   
159.7   
-88.9   
0   
0   
-108.4   
157.9   
-49.4   
-84.3   
-83.3   
-78.0   
-94.2   
-107.1   
-79.4   
-110.6   
-147.4         		 -90.9
-121.1
-133.6
-105.4
-116.6
-118.8
-129.6
-126.8
-132.9
-94.3
-111.8
-107.6
-132.8
-108.3
-90.1
-123.0
-127.9
-140.9
-133.7
-107.9
-100.2
-140.6
-110.0
-94.8
Значения, близкие к значениям, характерным для A-формы выделены таким цветом, к B- соответственно таким.  В качестве близких значений рассматривались значения, отстающие от найденных для A- и B- форм не больше чем на 5 в ту или иную сторону.
Получаем, что "количественно" данная структура ближе всё-таки к A- форме, особенно по значения α, β, γ, ζ, а по значениям углов δ и χ - к B-форме. Значения угла ε не сближают рассматриваемую структуру ни с A-, ни с B-формами. 
Кроме того, более подробный анализ результатов, полученных при помощи программы analyze, подтвердил сделанные "визуально", то есть при помощи программы RasMol, заключения, отражённые в первой таблице:
gatc-a.out gatc-b.out dna12.out
Тип спирали This is a right-handed nucleic acid structure This is a right-handed nucleic acid structure This is a right-handed nucleic acid structure
Ширина большой бороздки
 1 GA/TC        0
2 AT/AT        0
3 TC/GA      15.2
4 CG/CG      15.2
5 GA/TC      15.2
6 AT/AT      15.2
7 TC/GA      15.2
8 CG/CG      15.2
9 GA/TC      15.2
10 AT/AT     15.2
11 TC/GA     15.2
12 CG/CG     15.2
13 GA/TC     15.2
14 AT/AT        0
15 TC/GA       0		 1 GA/TC        0
2 AT/AT         0
3 TC/GA        17.2
4 CG/CG       17.2
5 GA/TC        17.2
6 AT/AT        17.2
7 TC/GA        17.2
8 CG/CG       17.2
9 GA/TC        17.2
10 AT/AT       17.2
11 TC/GA      17.2
12 CG/CG      17.2
13 GA/TC      17.2
14 AT/AT         0
15 TC/GA         0
 1 CG/CG        0
2 GC/GC        0
3 CG/cG      17.9
4 GA/Tc      17.8
5 AA/TT      17.1
6 AT/AT      16.1
7 TT/AA      17.4
8 Tc/GA       18.5
9 cG/CG       17.6
10 GC/GC       0
11 CG/CG       0
Ширина малой бороздки 1 GA/TC         0
2 AT/AT         0
3 TC/GA      18.5
4 CG/CG     18.5
5 GA/TC      18.5
6 AT/AT       18.5
7 TC/GA      18.5
8 CG/CG      18.5
9 GA/TC      18.5
10 AT/AT     18.5
11 TC/GA     18.5
12 CG/CG    18.5
13 GA/TC     18.5
14 AT/AT        0
15 TC/GA       0		 1 GA/TC        0
2 AT/AT         0
3 TC/GA       11.7
4 CG/CG       11.7
5 GA/TC       11.7
6 AT/AT        11.7
7 TC/GA       11.7
8 CG/CG       11.7
9 GA/TC       11.7
10 AT/AT      11.7
11 TC/GA      11.7
12 CG/CG      11.7
13 GA/TC      11.7
14 AT/AT       0
15 TC/GA       0		 1 CG/CG       0
2 GC/GC       0
3 CG/cG      13.4
4 GA/Tc      11.7
5 AA/TT      10.2
6 AT/AT       9.4
7 TT/AA       9.5
8 Tc/GA      10.4
9 cG/CG      11.1
10 GC/GC      0
11 CG/CG      0   
Итак, несмотря на различия в значениях конформационно важных торсионных углов, благодоря  информации, выданной программой analyze, можно с уверенностью сказать, что структура из файла dna12.pdb является B-формой ДНК.
Выдача программы analyze
 
Кроме того, программа analyze выдаёт ещё массу интересной информации, например:
  1. информация о водородных связях
  2. расположение комплементарной пары в системе координат заданной структуры
  3. локальные параметры шага
  4. классификация структуры
  5. информация о большой и малой бороздках (приведена выше)
  6. информация о конформационно важных торсионных углах
  7. параметры конформации дезоксирибозы
  8. длины P-P и C1'-C1' связей
  9. и др
При помощи команд rotate_mol и pdb2img были получены изображения структур в виде стопочных моделей.
A-форма B-форма dna12
pdb2img -c -u gatc-a.pdb gatc-a.ps
rotate_mol -b gatc-a.pdb gatc-a_view.pdb
pdb2img -c -u gatc-a_view.pdb gatc-a_view.ps		 pdb2img -c -u gatc-b.pdb gatc-b.ps
rotate_mol -b gatc-b.pdb gatc-b_view.pdb
pdb2img -c -u gatc-b_view.pdb gatc-b_view.ps		 pdb2img -c -u dna12.pdb dna12.ps
rotate_mol -b dna12.pdb dna12_view.pdb
pdb2img -c -u dna12_view.pdb dna12_view.ps
Вид с торца A-формы Вид с торца B-формы Вид с торца dna12
Вид сбоку A-формы Вид сбоку B-формы Вид сбоку dna12

Протокол к занятию.



Главная  Первый семестр  Второй семестр  Третий семестр